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鼓包对跨声速压气机叶栅气动性能的影响

杨森茂  
【摘要】:压气机作为燃气轮机三大核心部件之一,压气机对于整个机器的效率与工作可靠性具有重要影响。从压气机角度来看,发动机推重比的提高需要不断提高压气机的单级压比,进而在更少的级数上实现更高的级负荷。提高级负荷的常用方法是提高转子的旋转速度,这样会提高转子的叶尖切线速度,从而使其叶尖相对马赫数达到超声速,因此在跨声速压气机中会导致激波的出现,而激波又会加剧压气机内部的流动损失,所以对于激波系的控制就显得至关重要。本文以跨声速压气机动叶50%叶高的截面叶型为研究对象,通过在叶栅吸力面上设计不同参数的鼓包,对原型叶栅及带有鼓包的平面叶栅进行详细的数值模拟研究,通过分析流场总压损失系数、静压、马赫数等参数分布,探求激波控制鼓包对跨声速压气机平面叶栅内部流动特性及损失机理的影响,比较不同位置、长度、高度的鼓包对于激波结构的影响,探求最佳的激波控制鼓包的设计方案。首先,对研究的叶栅进行了网格无关性验证,确定合理的湍流模型,以保证数值计算结果的准确性。然后,对原型叶栅进行数值模拟计算,计算结果表明随着进口马赫数的增加,流动损失随之增加,同时也会产生激波,加剧流动损失。在-1°到2°冲角范围,随着冲角的增加流动损失随之增加。在进口条件相同的情况下,对添加不同位置、高度和长度鼓包的叶栅进行数值模拟,并对比原型叶栅流场进行分析,结果表明鼓包可以有效的降低激波强度,当原始激波入射在鼓包起始点和顶点之间,并且鼓包高度接近但不高于激波前附面层高度,且鼓包顶点与鼓包结束点的距离约为鼓包起始点与鼓包顶点之间距离的1.5倍。该参数的鼓包减阻效果最佳。最后,在不同来流马赫数和进口气流角的条件下对得到的最佳参数鼓包进行数值模拟,在0°冲角时,来流马赫数大于鼓包设计马赫数时,鼓包叶栅可以降低流动损失,在来流马赫数为鼓包设计马赫数时,在-1°至2°冲角下,鼓包叶栅都可以降低流动损失。


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